(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、該電解質の両面にそれぞれ接する触媒層と、
前記触媒層に向けて流体を供給する供給流路と、
前記触媒層に向けて突出したノズルが設けられた流体供給部と、
前記供給流路に設けられ、前記触媒層に向けて供給された流体を前記触媒層の面方向に拡散させる拡散手段とを備え、
前記供給流路は、前記ノズルの先端部から前記流体を噴射するように構成され、
前記拡散手段は、前記ノズルの先端部から前記触媒層の面方向に延設され、前記触媒層側に向けて先鋭化したテーパ形状を有する拡散板である
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質と、該電解質の両面にそれぞれ接する触媒層と、
前記触媒層に向けて流体を供給する供給流路と、
前記触媒層に向けて突出したノズルが設けられた流体供給部と、
前記供給流路に設けられ、前記触媒層に向けて供給された流体を前記触媒層の面方向に拡散させる拡散手段とを備え、
前記供給流路は、前記ノズルの先端部から前記流体を噴射するように構成され、
前記拡散手段は、前記触媒層と前記供給流路との間に前記流体を拡散するガス拡散層を設け、前記ガス拡散層の前記供給流路側の空孔率を前記触媒層側の空孔率よりも低くすることにより構成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載する燃料電池において、
前記触媒層と前記供給流路との間に前記流体を拡散するガス拡散層が設けられ、
前記ノズルの先端部及び前記拡散板は、前記ガス拡散層に接触している
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載する燃料電池において、
前記ガス拡散層は、前記ノズルの先端部に対向する領域から、当該ガス拡散層の面方向の外側に向けて空孔率が高くなっている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２〜請求項４の何れか一項に記載する燃料電池において、
前記ガス拡散層に供給された流体により押し退けられた気体が収容される収容部が設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載する燃料電池において、
前記収容部は、前記ガス拡散層に面した開口部を有し、当該開口部の開口面積は、前記供給流路の開口面積よりも大きい
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載する燃料電池において、
前記収容部のガス拡散層に面した開口部には、前記気体が収容部に収容される方向に開放する逆止弁が設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項５〜請求項７の何れか一項に記載する燃料電池において、
前記収容部には、前記収容部に収容された気体を回収して収容する貯留手段が設けられている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載する燃料電池において、
前記貯留手段は、中空部材であり、前記収容部は当該中空部材に連通している
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載する燃料電池において、
前記流体供給部との間に、前記供給流路に供給される気体が貯留されるバッファ部を画成するバッファ形成部材と、
前記バッファ部に配設され、前記流体供給部と前記バッファ形成部材とに挟持された支持部材とを備え、
前記貯留手段は、中空部材であり、
前記収容部は、前記バッファ形成部材、前記支持部材及び前記流体供給部に設けられた貫通孔を介して前記中空部材に連通している
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載する燃料電池と、
前記流体である燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給手段とを具備することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池及び水素発生装置を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、電解質膜の両面側にアノード触媒層及びカソード触媒層が設けられた固体高分子電解質膜を有し、固体高分子電解質膜の両面側に導電性繊維状部材から形成されたガス拡散層が設けられたものが知られている。ガス拡散層は、酸化剤や還元剤などの燃料の流通を阻害させずに拡散させるためのものであり、例えば、カーボン製の繊維などで構成されている。
【０００３】
ガス拡散層に酸化剤や還元剤などの燃料を供給する態様によっては、燃料がガス拡散層内部に均等に拡散せず、発電面において出力のばらつきが生じ、効率的な発電を行うことが困難であるという問題が生じる。例えば、燃料をアノード触媒層の表面に沿って供給すると、アノード触媒層の全面を効率よく使用することができなくなり、発電量が低下してしまう。
【０００４】
そこで、アノード触媒層の表面に燃料を吹き付けるように供給するアノード流体流路を設けた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係る燃料電池においては、アノード触媒層の表面に吹き付けられた燃料が、アノード触媒層で反射し、アノード触媒層から離れる方向に拡散してしまい、発電量の向上が見込めない虞がある。
【０００６】
また、特許文献１に係る燃料電池は、ガス拡散層に滞留している不純ガス（発電停止時に電解質膜を介して混入した大気中の空気、特に不活性ガスである窒素。）を、ガス拡散層に供給された燃料で押し退けて排出するように構成されているが、その燃料がアノード触媒層から離れる方向に拡散すると、そのような不純ガスの排出が行われず、十分な発電量を得ることができない虞がある。
【０００７】
なお、燃料をアノード触媒層から離れる方向に拡散してしまう問題は、ガス拡散層が設けられていない燃料電池においても同様に存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５０３７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み、ガス拡散層内部に酸化剤や還元剤の燃料ガスや液体燃料などの流体を行き渡らせることで発電面の出力のばらつきを抑え、効率的に発電することができる燃料電池及び燃料電池装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、ガス拡散層に滞留した不純ガスを確実に排出して、十分な発電量を得ることができる燃料電池及び燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、電解質と、該電解質の両面にそれぞれ接する触媒層と、前記触媒層に向けて流体を供給する供給流路と、前記触媒層に向けて突出したノズルが設けられた流体供給部と、前記供給流路に設けられ、前記触媒層に向けて供給された流体を前記触媒層の面方向に拡散させる拡散手段とを備え、前記供給流路は、前記ノズルの先端部から前記流体を噴射するように構成され、前記拡散手段は、前記ノズルの先端部から前記触媒層の面方向に延設され、前記触媒層側に向けて先鋭化したテーパ形状を有する拡散板であることを特徴とする燃料電池にある。
【００１２】
かかる第１の態様では、触媒層に供給された流体を、拡散手段により、触媒層に接触させながら当該触媒層の面方向に拡散させることができる。すなわち、触媒層に供給された流体が、触媒層で反射してしまい、触媒層から離れる方向に拡散してしまうことが防止され、流体を触媒層全体に亘って均一に供給することができる。これにより、触媒層の表面の全面を利用して発電させることができ、発電量が向上した燃料電池が提供される。
また、拡散手段として拡散板を用いることで、ノズルの先端部から供給された流体を触媒層の面方向により確実に拡散させることができる。
さらに、流体が面方向に拡散する際の流路抵抗は、供給流路から離れるほど小さくなる。したがって、供給流路から供給された流体を触媒層の面方向の外側に拡散させやすくなり、触媒層の全面に流体をより確実に行き渡らせることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、電解質と、該電解質の両面にそれぞれ接する触媒層と、前記触媒層に向けて流体を供給する供給流路と、前記触媒層に向けて突出したノズルが設けられた流体供給部と、前記供給流路に設けられ、前記触媒層に向けて供給された流体を前記触媒層の面方向に拡散させる拡散手段とを備え、前記供給流路は、前記ノズルの先端部から前記流体を噴射するように構成され、前記拡散手段は、前記触媒層と前記供給流路との間に前記流体を拡散するガス拡散層を設け、前記ガス拡散層の前記供給流路側の空孔率を前記触媒層側の空孔率よりも低くすることにより構成されていることを特徴とする燃料電池にある。
【００１４】
かかる第２の態様では、ガス拡散層の供給流路側の空孔率が低い上層は、空孔率が低く、すなわち流路抵抗が高いので、上層側には拡散しにくい。したがって、流体は、触媒層から離れる方向に拡散しようとしても、当該上層により阻止され、ガス拡散層の面方向に拡散される。
【００１７】
本発明の第３の態様は、第１の態様に記載する燃料電池において、前記触媒層と前記供給流路との間に前記流体を拡散するガス拡散層が設けられ、前記ノズルの先端部及び前記拡散板は、前記ガス拡散層に接触していることを特徴とする燃料電池にある。
【００１８】
かかる第３の態様では、ガス拡散層により、流体を触媒層の面方向に拡散させることができ、かつ拡散板により流体が触媒層から離れる方向に拡散することを防止できる。また、当該流体によりガス拡散層に滞留している気体を排出することができる。
【００１９】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する燃料電池において、前記ガス拡散層は、前記ノズルの先端部に対向する領域から、当該ガス拡散層の面方向の外側に向けて空孔率が高くなっていることを特徴とする燃料電池にある。
【００２０】
かかる第４の態様では、ガス拡散層において流体が面方向に拡散する際の流路抵抗は、供給流路から離れるほど小さくなる。したがって、供給流路から供給された流体をガス拡散層の面方向の外側に拡散させやすくなり、触媒層の全面に燃料をより確実に行き渡らせることができる。
【００２３】
本発明の第５の態様は、第２〜第４の何れか一つの態様に記載する燃料電池において、前記ガス拡散層に供給された流体により押し退けられた気体が収容される収容部が設けられていることを特徴とする燃料電池にある。
【００２４】
かかる第５の態様では、ガス拡散層に供給された流体により押し退けられた気体を収容部で収容することができる。これによりガス拡散層を流体リッチとすることができ、発電量を向上することができる。
【００２５】
本発明の第６の態様は、第５の態様に記載する燃料電池において、前記収容部は、前記ガス拡散層に面した開口部を有し、当該開口部の開口面積は、前記供給流路の開口面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池にある。
【００２６】
かかる第６の態様では、供給流路から噴射される流体の流速を速くすることができ、かつ、開口部を介して収容部に気体をより確実に収容することができる。
【００２７】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載する燃料電池において、前記収容部のガス拡散層に面した開口部には、前記気体が収容部に収容される方向に開放する逆止弁が設けられていることを特徴とする燃料電池にある。
【００２８】
かかる第７の態様では、収容部に収容された気体がガス拡散層側に逆流することを防止できる。
【００２９】
本発明の第８の態様は、第５〜第７の何れか一つの態様に記載する燃料電池において、前記収容部には、前記収容部に収容された気体を回収して収容する貯留手段が設けられていることを特徴とする燃料電池にある。
【００３０】
かかる第８の態様では、より多くの気体を収容部に収容できる。
【００３１】
本発明の第９の態様は、第８の態様に記載する燃料電池において、前記貯留手段は、中空部材であり、前記収容部は当該中空部材に連通していることを特徴とする燃料電池にある。
【００３２】
かかる第９の態様では、外部の貯留部に、より多くの気体を収容できる。
【００３３】
本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載する燃料電池において、前記流体供給部との間に、前記供給流路に供給される気体が貯留されるバッファ部を画成するバッファ形成部材と、前記バッファ部に配設され、前記流体供給部と前記バッファ形成部材とに挟持された支持部材とを備え、前記貯留手段は、中空部材であり、前記収容部は、前記バッファ形成部材、前記支持部材及び前記流体供給部に設けられた貫通孔を介して前記中空部材に連通していることを特徴とする燃料電池にある。
【００３４】
かかる第１０の態様では、外部の貯留部に、より多くの気体を収容できると共に、燃料電池の強度を向上することができる。
【００３５】
本発明の第１１の態様は、第１〜第１０の何れか一つの態様に記載する燃料電池と、前記流体である燃料を前記燃料電池に供給する燃料供給手段とを具備することを特徴とする燃料電池装置にある。
【００３６】
かかる第１１の態様では、効率的に発電することができる燃料電池装置が提供される。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、ガス拡散層内部に酸化剤や還元剤の燃料ガスや液体燃料などの流体を行き渡らせることで発電面の出力のばらつきを抑え、効率的に発電することができる燃料電池及び燃料電池装置が提供される。
【００３８】
また、本発明によれば、ガス拡散層に滞留した不純ガスを確実に排出して、十分な発電量を得ることができる燃料電池及び燃料電池装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の概略構成図である。
【図２】実施形態１に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】実施形態１に係る燃料電池の断面図である。
【図４】アノード触媒層に供給される燃料の流れを示す図である。
【図５】拡散板の変形例を示す断面図である。
【図６】供給流路の変形例を示す図である。
【図７】実施形態２に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図８】実施形態２に係る燃料電池の断面図である。
【図９】拡散板の変形例を示す図である。
【図１０】拡散板の変形例を示す図である。
【図１１】ガス拡散層の変形例を示す図である。
【図１２】実施形態３に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１３】実施形態３に係る燃料電池の断面図である。
【図１４】実施形態４に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１５】実施形態４に係る燃料電池の断面図である。
【図１６】実施形態５に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１７】実施形態５に係る燃料電池の断面図である。
【図１８】実施形態６に係る燃料電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池装置の概略構成を示す図である。同図に示すように、燃料電池装置１は、燃料電池２と、燃料供給手段３と、制御回路４とを備えている。
【００４１】
燃料供給手段３は、燃料電池２のアノード側に燃料（流体）を供給するものである。燃料としては水素が最適であり、具体的には、水素吸蔵合金や、水素を封入したボンベなどが挙げられる。また、燃料供給手段３は、水素を発生させるものであってもよく、例えば、水素発生物質と水素発生促進物質とを混合して水素を発生させる構成が挙げられる。水素発生物質としては、例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素発生促進物質としては、例えば、リンゴ酸水溶液を用いることができる。また、燃料としてメタノールなどの溶液を供給してもよい。
【００４２】
制御回路４は、燃料電池２の発電状況及び発電した電力の出力状況を制御するものであり、燃料電池装置１は、制御回路４を介して使用機器（図示せず）に接続される。
【００４３】
ここで、燃料電池２について図２及び図３を参照して詳細に説明する。図２は、実施形態１に係る燃料電池の分解斜視図であり、図３は、実施形態１に係る燃料電池の断面図である。
【００４４】
図２及び図３に示すように、燃料電池２は、電解質として固体高分子電解質膜１１と、固体高分子電解質膜１１の両面側に設けられたアノード触媒層１２及びカソード触媒層１３とで構成された膜電極接合体１０（以下、ＭＥＡと言う）を具備する。
【００４５】
ＭＥＡ１０の各面には、アノード部材２０とカソード部材３０とが設けられている。すなわち、ＭＥＡ１０は、アノード部材２０とカソード部材３０との間に挟持されている。
【００４６】
カソード部材３０は、ＭＥＡ１０のカソード触媒層１３側に設けられた板状部材からなる。カソード部材３０には、カソード触媒層１３にカソード側の流体として酸化剤（酸素を含む空気）を供給するカソード流体流路３１が設けられている。このカソード流体流路３１は、本実施形態では、カソード部材３０のカソード触媒層１３側に開口する凹形状を有し、カソード流体流路３１の底面には、カソード流体流路３１内に空気を供給するためのカソード流体導入口３２が設けられている。カソード流体導入口３２の形状は、図２の形状に限定されず、膜電極接合体１０をアノード部材２０の方向に押さえ、外部の酸化剤（酸素を含む空気）を取り込む機能が備わっていれば良い。
【００４７】
アノード部材２０は、バッファ形成部材の一例であり、アノード触媒層１２側に開口する凹部が形成された板状部材から構成されている。アノード部材２０は、ＭＥＡ１０のアノード触媒層１２側に設けられ、当該凹部と後述する流体供給部５０とでバッファ部２１を画成する。また、アノード部材２０には、バッファ部２１の底面に厚さ方向に貫通して設けられたアノード流体導入口２２が設けられている。
【００４８】
バッファ部２１は、アノード触媒層１２の表面積と同等の開口面積を有する。そして、バッファ部２１内には、アノード流体導入口２２を介して燃料が供給される。
【００４９】
また、アノード部材２０とＭＥＡ１０との間には、バッファ部２１内の燃料をアノード触媒層１２に供給する流体供給部５０とが設けられている。
【００５０】
流体供給部５０は、ＭＥＡ１０のアノード触媒層１２側に設けられた板状の基板部５６と、基板部５６からアノード触媒層１２に向けて突出したノズル５２とを備えている。基板部５６は、アノード部材２０の凹部を封止してバッファ部２１を画成している。また、ノズル５２には、ノズル５２の先端部から燃料を噴射するように構成された供給流路５１が設けられている。
【００５１】
具体的には、ノズル５２は、基板部５６の面方向に延設された長尺の突起であり、供給流路５１は、ノズル５２の先端部に開口するように基板部５６及びノズル５２を貫通する貫通孔である。供給流路５１の開口形状は、溝状になっている。本実施形態では、流体供給部５０は、基板部５６に設けられた２本のノズル５２と、各ノズル５２に一つずつ設けられた供給流路５１とから構成されている。
【００５２】
さらに、ノズル５２には、拡散手段として、ノズル５２の先端部からアノード触媒層１２の面方向に延設された拡散板５３が設けられている。本実施形態では、拡散板５３は、平板状部材から構成され、ノズル５２の先端部（供給流路５１の開口部）及び拡散板５３の間は、アノード触媒層１２から若干の隙間を空けて配設されている。
【００５３】
図４を用いて、アノード触媒層１２に供給される燃料について説明する。図示するように、供給流路５１に導入された燃料は、アノード触媒層１２に向けて噴射され、アノード触媒層１２と拡散板５３との隙間を通って面方向に拡散する。このとき、燃料がアノード触媒層１２に反射したとしても拡散板５３により押し戻され、アノード触媒層１２の表面に接触しながら面方向に拡散していく。すなわち、拡散板５３は、燃料をアノード触媒層１２に接触させながら面方向に案内する機能を果たす。
【００５４】
なお、アノード部材２０には、アノード触媒層１２と流体供給部５０の基板部５６とで画成された空間に連通する溝部２３が設けられており、アノード触媒層１２で反応しきれなかった燃料は、溝部２３を介して外部に排出されるようになっている。
【００５５】
以上に説明したように、本実施形態に係る燃料電池２は、バッファ部２１から供給流路５１を経てアノード触媒層１２に噴射された燃料を、拡散板５３により、アノード触媒層１２に接触させながらアノード触媒層１２の面方向に拡散させることができる。これにより、供給流路５１から供給された燃料が、アノード触媒層１２で反射してしまい、アノード触媒層１２から離れる方向に拡散してしまうことが防止され、燃料をアノード触媒層１２全体に亘って均一に供給することができる。これにより、アノード触媒層１２の表面の全面を利用して発電させることができ、発電量が向上した燃料電池２が提供される。
【００５６】
なお、供給流路５１の圧力損失は、アノード流体導入口２２から各供給流路５１までの圧力損失よりも大きくなるように設けられている。具体的には、本実施形態では、バッファ部２１を複数の供給流路５１に共通して連通する大きさ（アノード触媒層１２の表面と同等の開口面積）で設け、供給流路５１の開口面積（断面積）をバッファ部２１の開口面積よりも大幅に小さくすることで、供給流路５１の圧力損失をバッファ部２１のアノード流体導入口２２から各供給流路５１までの圧力損失よりも大きくしている。このように供給流路５１の圧力損失を大きくすることで、バッファ部２１内に供給された燃料を、アノード触媒層１２の表面に向かって所望の圧力で噴射するように供給することができる。また、供給流路５１の大きさ（開口面積）や、数及び位置などは特に限定されない。
【００５７】
また、拡散板５３の形状は、上述したように平板状部材に限定されない。図５に、拡散板５３の変形例を示す。同図に示すように、拡散板５３は、アノード触媒層１２に向けて先鋭化したテーパ形状を有している。このような形状の拡散板５３をノズル５２に設けることで、拡散板５３とアノード触媒層１２との隙間の高さは、供給流路５１側が低く、供給流路５１から離れるほど高くなる。このため、燃料が面方向に拡散する際の流路抵抗は、供給流路５１から離れるほど小さくなる。したがって、供給流路５１から供給された燃料をアノード触媒層１２の面方向の外側に拡散させやすくなり、アノード触媒層１２の全面に燃料をより確実に行き渡らせることができる。
【００５８】
また、供給流路５１の開口は溝状であったが、これに限定されない。図６は、供給流路の変形例を示す図である。同図に示すように、供給流路５１は、円形の開口を有する貫通孔であり、一つのノズル５２に複数の供給流路５１が設けられている。この場合においても、供給流路５１から供給された燃料を、拡散板５３により、アノード触媒層１２に接触させながら面方向に拡散させることができる。
【００５９】
〈実施形態２〉
実施形態１では、ノズル５２は、アノード触媒層１２から隙間ができるように配設されていたが、これに限らず、ノズル５２とアノード触媒層１２との間にガス拡散層が設けられていてもよい。
【００６０】
図７及び図８を用いて、実施形態２に係る燃料電池について説明する。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６１】
図示するように、ＭＥＡ１０と流体供給部５０との間には、ガス拡散層４０が設けられている。
【００６２】
ガス拡散層（ＧＤＬ）４０は、流体供給部５０を介して供給された燃料を拡散し、アノード触媒層１２に供給するものである。具体的には、ガス拡散層４０は、燃料を透過可能な透過性を有する多孔質部材からなる。ガス拡散層４０としては、例えば、金属メッシュや、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどの電気伝導性を有する多孔質構造を有するものを用いることができる。
【００６３】
ガス拡散層４０の表面には、ノズル５２の先端部及び平板状の拡散板５３が接触しており、供給流路５１からガス拡散層４０に燃料が噴射されるようになっている。
【００６４】
供給流路５１に導入された燃料は、ガス拡散層４０に向けて噴射され、ガス拡散層４０の空孔を通って面方向に拡散する。このとき、燃料がアノード触媒層１２に反射することでアノード触媒層１２から離れる方向（アノード触媒層１２表面に垂直な方向）に導かれようとしても、拡散板５３により押し戻され、ガス拡散層４０の面方向に拡散していく。すなわち、拡散板５３は、燃料をアノード触媒層１２に接触させるようにガス拡散層４０の面方向に案内する機能を果たす。
【００６５】
さらに、拡散板５３により、燃料がガス拡散層４０の面方向に確実に案内されるので、当該燃料でアノード触媒層１２の表面に存在する不純ガス（気体）を押し退けることができる。
【００６６】
ちなみに、ガス拡散層４０内に不純ガスが混入していると、不純ガス（窒素）の分圧の上昇に伴い、アノード触媒層１２における燃料の分圧が低下し、発電するのに十分な燃料を供給することができず発電量が低下してしまう。
【００６７】
しかしながら、本実施形態の燃料電池２では、拡散板５３により面方向に案内されて十分な圧力で供給された燃料により、ガス拡散層４０の不純ガスを押し退けるので、燃料をアノード触媒層１２の表面の全面に亘って均一に供給することができる。これにより、燃料電池２は、発電効率が向上し、特に初期電圧を高くすることができる。
【００６８】
ここで、実施形態１に説明したテーパ状の拡散板５３を、ガス拡散層４０を設けた燃料電池２に適用してもよい。図９に、拡散板の変形例を示す。同図に示すように、拡散板５３は、ＭＥＡ１０側に先鋭化したテーパ形状を有している。ノズル５２の先端部及び拡散板５３のテーパ面は、ガス拡散層４０に接触している。
【００６９】
また、ガス拡散層４０は、ノズル５２の先端部に対向する領域から、ガス拡散層４０の面方向の外側に向けて連続的に空孔率が高くなっている。ここで、空孔率とは、ガス拡散層４０の見かけの体積に対する空孔の割合をいう。空孔率の測定は、水銀圧入法などにより求めることができる。
【００７０】
このように空孔率の差があるため、燃料が面方向に拡散する際の流路抵抗は、供給流路５１から離れるほど小さくなる。したがって、供給流路５１から供給された燃料をガス拡散層４０の面方向の外側に拡散させやすくなり、アノード触媒層１２の全面に燃料をより確実に行き渡らせることができる。
【００７１】
さらに、ノズル５２の先端部に対向する領域は、他の領域よりも相対的に空孔率が低く、すなわち流路抵抗が高いため、ガス拡散層４０に拡散した燃料で押し退けられた不純ガスがノズル５２側に戻ってくることを防止することができる。これにより、ガス拡散層４０から不純ガスを確実に排出して、発電効率を向上することができる。ちなみに、ガス拡散層４０のノズル５２の先端部に対向する領域は、流路抵抗が高い領域となるが、当該部分には、供給流路５１から十分な圧力で燃料が供給されるので、燃料が当該領域を通過しない虞はない。
【００７２】
なお、上述したようなガス拡散層４０の空孔率の差は、平板状のガス拡散層４０を、テーパ形状を有する拡散板５３で押圧することで設けることができる。拡散板５３のテーパ部分がガス拡散層４０にめり込むことで、空孔が押し潰され、空孔率が低下した領域が形成される。もちろん、拡散板５３がガス拡散層４０を押圧する場合に限定されず、任意の部材で押圧することで空孔率の差を設けてもよいし、さらに、空孔率の差は、連続的である必要はなく、離散的でもよい。他に、空孔率の異なる多孔体を用意し、一つの多孔体の一部を切り抜き、その切り抜いた部位に空孔率の異なる多孔体をはめ込むようにして、空孔率の差があるガス拡散層４０を作製してもよい。
【００７３】
また、図１０に示すように、拡散板５３自体がテーパ形状を有する必要はなく、平板状の拡散板５３に、テーパ部材５４を設けることで、全体としてテーパ形状を有する拡散板５３としてもよい。
【００７４】
さらに、図１１に示すように、平板状の拡散板５３と、空孔率の差が設けられたガス拡散層４０とを備える燃料電池２としてもよい。すなわち、ガス拡散層４０の表面に、ノズル５２の先端部及び拡散板５３を接触させ、ガス拡散層４０は、当該先端部に対向する領域から、面方向の外側に向けて空孔率が高くなるように形成する。この場合においても、図９に示した実施例と同様に、供給流路５１から供給された燃料をガス拡散層４０の面方向の外側に拡散させやすくなり、アノード触媒層１２の全面に燃料をより確実に行き渡らせると共に、ガス拡散層４０に拡散した燃料で押し退けられた不純ガスがノズル５２側に戻ってくることを防止することができる。
【００７５】
〈実施形態３〉
実施形態１及び実施形態２では、アノード部材２０に溝部２３が設けられ、アノード触媒層１２で反応しきれなかった燃料が溝部２３を介して外部に排出されるようになっている、いわゆるフロー型の燃料電池について説明した。本実施形態では、デッドエンド型の燃料電池について説明する。
【００７６】
図１２は、実施形態３に係る燃料電池の分解斜視図であり、図１３は、実施形態３に係る燃料電池の断面図である。なお、実施形態２と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７７】
本実施形態に係る燃料電池２は、ガス拡散層４０に供給された燃料により押し退けられた不純ガスが収容される収容部５５ａ，５５ｂが設けられている。
【００７８】
具体的には、燃料電池２には、隣り合うノズル５２同士、基板部５６、拡散板５３及びアノード部材２０とから画成された収容部５５ａと、両端の各ノズル５２、基板部５６、拡散板５３、アノード部材２０とから画成された収容部５５ｂとが設けられている。
【００７９】
また、拡散板５３には、収容部５５ａに連通する溝状の開口部５７ａが設けられている。収容部５５ａは開口部５７を介してガス拡散層４０に面しており、収容部５５ｂは、拡散板５３とアノード部材２０との隙間の開口部５７ｂを介してガス拡散層４０に面している。このように構成された収容部５５ａ，５５ｂは、開口部５７ａ、５７ｂを介してガス拡散層４０にのみ開口した空間となっている。
【００８０】
このような収容部５５ａ，５５ｂを有する燃料電池２では、燃料が供給流路５１からガス拡散層４０に噴射されると、ガス拡散層４０に滞留していた不純ガスが押し退けられる。そして押し退けられた不純ガスは、開口部５７ａ、５７ｂに達し、収容部５５ａ，５５ｂで収容される。したがって、燃料の供給によりガス拡散層４０から不純ガスを排除しやすくなる。さらに、押し退けた不純ガスを容積の大きい収容部５５ａ，５５ｂに貯留することができるので、長期に亘って不純ガスを収容部５５ａ，５５ｂに押し退けた状態で運転することが可能となり、長時間の発電を維持することができる。
【００８１】
また、開口部５７ａ、５７ｂの開口面積は、供給流路５１の開口面積よりも大きい。すなわち、供給流路５１から噴射される燃料の流速が速く、かつ、不純ガスが開口部５７ａ、５７ｂに収容されやすい。したがって、より確実に不純ガスを収容部５５ａ，５５ｂに収容することが可能となる。
【００８２】
なお、収容部５５ａ，５５ｂの開口部５７ａ、５７ｂの開口形状は、特に限定はないが、本実施形態のように溝状とすることで、吹き溜まりができにくく、より確実に不純ガスを収容部５５ａ，５５ｂに収容することができる。さらに、開口部５７ａ、５７ｂには、不純ガスが収容部５５ａ，５５ｂ内部に収容される方向に開放する逆止弁（図示せず）が設けられていても良い。この場合、収容部５５ａ，５５ｂに収容された不純ガスがガス拡散層４０に逆流することを防止できる。
【００８３】
また、実施形態２の図９〜図１１に示したガス拡散層４０及び拡散板５３の構成を、本実施形態に係る燃料電池に適用してもよい。この場合においては、不純ガスは、ガス拡散層４０においてノズル５２側に戻りにくいので、より確実に、不純ガスを収容部５５ａ，５５ｂに収容することができる。
【００８４】
〈実施形態４〉
実施形態３では、デッドエンド型の燃料電池について説明したが、不純ガスが収容された収容部５５ａ，５５ｂから不純ガスを回収して収容する貯留手段を設けてもよい。
【００８５】
図１４は、実施形態４に係る燃料電池の分解斜視図であり、図１５は、実施形態４に係る燃料電池の断面図である。なお、実施形態３と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８６】
図示するように、アノード部材２０には、収容部５５ａ，５５ｂに連通する排出口２４が設けられている。本実施形態では、収容部５５ａ，５５ｂのそれぞれに一つの排出口２４が計４つ設けられている。
【００８７】
各排出口２４には、燃料電池２の外部に設けられた貯留手段である中空部材（図示せず）に連通しており、収容部５５ａ，５５ｂからの不純ガスが当該中空部材に貯留されるようになっている。燃料電池２の構造上、各収容部５５ａ，５５ｂの形状、大きさ、配置は制約を受け、容積を自由に大きくすることが難しいが、このような制約を受けない中空部材を用いることで、より多くの不純ガスを収容部５５ａ，５５ｂ及び中空部材で貯留することができる。すなわち、ガス拡散層４０からより多くの不純ガスを排除することができる。
【００８８】
〈実施形態５〉
さらに、収容部５５ａ，５５ｂの不純物を外部に排出する他の態様を説明する。図１６は、実施形態５に係る燃料電池の分解斜視図であり、図１７は、実施形態５に係る燃料電池の断面図である。なお、実施形態４と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８９】
図示するように、バッファ部２１には、支持部材７０が配設され、流体供給部５０とアノード部材２０とに挟持されている。これにより、流体供給部５０やアノード部材２０の撓みが支持部材７０で防止される。
【００９０】
アノード部材２０には、厚さ方向に貫通する排出口２５が形成され、支持部材７０には、排出口２５に連通するように貫通孔７１が設けられている。さらに、流体供給部５０の基板部５６には、支持部材７０の貫通孔７１に連通すると共に、収容部５５ａ，５５ｂに連通する貫通孔５９が設けられている。すなわち、排出口２５、貫通孔７１、貫通孔５９を介して、収容部５５ａ，５５ｂは外部に連通している。
【００９１】
実施形態４と同様に、各排出口２５は、燃料電池２の外部に設けられた中空部材（図示せず）に連通しており、収容部５５ａ，５５ｂからの不純ガスが当該中空部材に貯留されるようになっている。
【００９２】
本実施形態においても、実施形態４と同様に、大きさや形状の制約を受けない外部の中空部材を用いることで、より多くの不純ガスを収容部５５ａ，５５ｂ及び中空部材で貯留することができる。すなわち、ガス拡散層４０からより多くの不純ガスを排除することができる。
【００９３】
さらに、流体供給部５０やアノード部材２０の撓みを支持部材７０で防止して燃料電池２の強度を向上する一方、その支持部材７０の貫通孔７１を中空部材に不純ガスを排出する流路としても利用することで、部品点数の増大を抑えてコストを削減することができる。
【００９４】
なお、貯留手段として、中空部材を例示したが、これに限定されず、中空部材内部に気体を吸着する吸着剤を設けるようにしてもよい。例えば、気体として窒素を吸着させる場合は、活性炭やゼオライトを吸着剤として用いることができる。
【００９５】
〈実施形態６〉
実施形態１〜実施形態５では、拡散手段として拡散板５３を用いた例を説明したが、これに限定されず、供給流路５１から噴射された燃料が、アノード触媒層１２から離れる方向に拡散しにくい構成であればよい。
【００９６】
図１８は、実施形態６に係る燃料電池の断面図である。上述の実施形態と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００９７】
図示するように、流体供給部５０は、平板状の基板部５６と、基板部５６からガス拡散層４０側に突出したノズル５２を備えている。ノズル５２の先端部は、ガス拡散層４０に接触しており、供給流路５１は、ノズル５２の先端部に開口する貫通孔として形成されている。
【００９８】
拡散手段は、ガス拡散層４０の供給流路５１側の空孔率を、アノード触媒層１２側の空孔率よりも低くすることにより構成されている。本実施形態では、ガス拡散層４０は、空孔率が異なる上層４１と下層４２の２層からなり、供給流路５１側の上層４１の空孔率が、アノード触媒層１２側の下層４２の空孔率よりも低くなっている。
【００９９】
このように、拡散手段としてのガス拡散層４０を設けることで、供給流路５１から噴射された燃料は、上層４１を通過して下層４２に達し、ガス拡散層４０の面方向の外側に拡散する。そして、燃料がアノード触媒層１２に反射して、アノード触媒層１２から離れる方向に拡散しようとしても、上層４１は、空孔率が低く、すなわち流路抵抗が高いので、その方向には拡散しにくい。すなわち、上層４１が、実施形態１〜実施形態５の拡散板５３と同等の機能を果たす。したがって、本実施形態に係る燃料電池においても、燃料は、上層４１によりガス拡散層４０の面方向に案内されて均等に拡散すると共に、不純ガスをガス拡散層４０から押し退けることができる。
【０１００】
〈他の実施形態〉
上述した各実施形態では、流体供給部５０は、基板部５６及びノズル５２が一体的に形成されていたが、これに限らず、個別に形成されたものを組み合わせて形成したものであってもよい。
【０１０１】
また、供給流路５１には、バッファ部２１を介して燃料を供給したが、これに限られず、供給流路５１に燃料を供給できる構成であればよい。さらに、ガス拡散層４０及び流体供給部５０は、アノード側にのみ設けられていたが、カソード側に設けられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、燃料電池及び燃料電池装置の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１            燃料電池装置
２            燃料電池
３            燃料供給手段
４            制御回路
１０          膜電極接合体
１１          固体高分子電解質膜
１２          アノード触媒層
１３          カソード触媒層
２０          アノード部材
２１          バッファ部
２２          アノード流体導入口
３０          カソード部材
３１          カソード流体流路
３２          カソード流体導入口
４０          ガス拡散層
５０          流体供給部
５１          供給流路
５２          ノズル
５３          拡散板
５５ａ、５５ｂ              収容部
５６          基板部
５７ａ、５７ｂ              開口部
７０          支持部材
【図１】
0005668237.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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